Mjerenje širenja svemira otkriva misteriju

Zagledana duboko u jezgru maglice Rakova, ova krupna slika otkriva otkucajno srce jedne od povijesnijih i intenzivno proučavanih ostataka supernove, eksplodirajuće zvijezde. Nebeska tijela poput supernova pomogla su Riess-ovom timu astronoma da odredi udaljenosti kako bi utvrdili koliko se svemir brzo širi. Slika putem Instituta za svemirski teleskop.

Autor: Donna Weaver i Ray Villard / Johns Hopkins

Evo dobre vijesti: Astronomi su do danas napravili najpreciznije mjerenje brzine kojom se svemir širi od Velikog praska.

Evo moguće uznemirujuće vijesti: Novi brojevi i dalje razilaze neovisna mjerenja ranog širenja svemira, što bi moglo značiti da u sastavu svemira postoji nešto nepoznato.

Da li se u dubinama svemira događa nešto nepredviđeno?

Adam Riess je nobelovac i ugledni Bloomberg profesor na Sveučilištu Johns Hopkins. On je rekao:

Zajednica se zaista bore s razumijevanjem značenja ove razlike.

Riess vodi tim istraživača koji koriste svemirski teleskop Hubble za mjerenje brzine širenja u svemiru. Podijelio je Nobelovu nagradu 2011. godine za otkriće svemira koji se ubrzava.

Tim, koji uključuje istraživače iz Hopkinsa i Znanstvenog instituta za svemirski teleskop, koristio je svemirski teleskop Hubble u posljednjih šest godina za pročišćavanje mjerenja udaljenosti do galaksija, koristeći zvijezde kao oznake miljokaza. Ta se mjerenja koriste za izračunavanje brzine širenja svemira s vremenom, vrijednosti poznate kao Hubble konstanta.

Slika putem NASA, ESA, A. Feild (STScI) i A. Riess (STScI / JHU).

Mjerenja koja su napravili sateliti Planck-a Europske svemirske agencije, koji preslikava pozadinu kozmičke mikrovalne, predviđali su da bi vrijednost Hubble-ove konstante sada trebala biti 42 milje (67 km) u sekundi po megaparseku (3, 3 milijuna svjetlosnih godina) i ne bi mogla biti veća od 43 milja (69 km) u sekundi po megaparseku. To znači da se za svakih 3, 3 milijuna svjetlosnih godina, što je dalje galaksija od nas, kreće se 42 milje (67 km) u sekundi brže. No, Riessin tim mjerio je vrijednost od 45 milja (73 km) u sekundi po megaparseku, što ukazuje na to da se galaksije kreću većom brzinom nego što je implicirano promatranjima ranog svemira.

Podaci Hubblea toliko su precizni da astronomi ne mogu odbaciti jaz između dva rezultata kao pogreške u bilo kojem pojedinačnom mjerenju ili metodi. Riess objasnio:

Oba su rezultata testirana na više načina. Zabranjujući niz nepovezanih pogrešaka, sve je vjerojatnije da to nije buba, nego značajka svemira.

Objašnjavanje uznemirujuće razlike

Riess je iznio nekoliko mogućih objašnjenja za neusklađenost, a sve se odnosilo na 95 posto svemira koji je obavijen mrakom. Jedna je mogućnost da tamna energija, za koju se već zna da ubrzava kosmos, može odgurnuti galaksije jednu od druge s još većom - ili rastućom jačinom. To znači da sama akceleracija možda nema stalnu vrijednost u svemiru, ali se s vremenom mijenja.

Druga ideja je da svemir sadrži novu subatomsku česticu koja putuje blizu brzine svjetlosti. Takve brze čestice zajedno se nazivaju "tamno zračenje" i uključuju prethodno poznate čestice poput neutrina, koje nastaju u nuklearnim reakcijama i radioaktivnom raspadu. Za razliku od normalnog neutrina, koji djeluje subatomskom silom, na ovu će novu česticu utjecati samo gravitacija i nazvan je "sterilnim neutrinom".

Još jedna atraktivna mogućnost je da tamna tvar - nevidljivi oblik materije koja nije sastavljena od protona, neutrona i elektrona - jače djeluje s normalnom materijom ili zračenjem nego što se ranije pretpostavljalo.

Bilo koji od ovih scenarija promijenio bi sadržaj ranog svemira, dovodeći do nedosljednosti u teorijskim modelima. Ove nedosljednosti rezultirale bi pogrešnom vrijednošću Hubbleove konstante, zaključeno iz opažanja mladog kozmosa. Ta bi se vrijednost tada podudarala s brojem dobivenim iz Hubbleovih opažanja.

Riess i njegovi kolege još nemaju odgovore na ovaj dosadan problem, ali njegov će tim i dalje raditi na preciznom podešavanju brzine širenja svemira. Do sada je tim, nazvan Supernova H0 za jednadžbu države, pod nadimkom SH0ES - smanjio neizvjesnost na 2, 3 posto.

Izgradnja boljeg dvorišta

Tim je uspio poboljšati Hubbleovu konstantnu vrijednost pojednostavljivanjem i jačanjem konstrukcije ljestvice kozmičkih udaljenosti, niza međusobno povezanih mjernih tehnika koje astronomima omogućuju mjerenje udaljenosti u milijardama svjetlosnih godina.

Astronomi ne mogu koristiti kazetnu mjeru za mjerenje udaljenosti između galaksija - umjesto toga, koriste posebne klase zvijezda i supernova kao kozmičke mjerne točke ili oznake miljokaza za precizno mjerenje galaktičkih udaljenosti.

Među najpouzdanijima koja se koriste za mjerenje kraćih udaljenosti su cefidske varijable, koje su pulsirajuće zvijezde koje svjetlucaju i zatamnjuju se specifičnim brzinama. Neke udaljene galaksije sadrže još jedan pouzdan mjerni znak, eksplodirajuće zvijezde zvane supernove, tipa Ia, koje blistaju jednoličnom svjetlošću i dovoljno su sjajne da se mogu vidjeti iz daljine. Koristeći osnovni geometrijski alat nazvan paralakse, koji mjeri prividni pomak položaja objekta uslijed promjene stajališta promatrača, astronomi mogu izmjeriti udaljenosti do tih nebeskih tijela neovisno o njihovoj svjetlini.

Prethodna Hubbleova promatranja proučavala su 10 cepeida koji brže trepere smještenih na 300 svjetlosnih godina do 1.600 svjetlosnih godina od Zemlje. Najnoviji Hubbleovi rezultati temelje se na mjerenjima paralakse osam novoanaliziranih cefida u našoj galaksiji Mliječni put koji se nalazi oko 10 puta dalje nego što je to bilo prethodno proučeno, a nalaze se između 6 000 svjetlosnih godina i 12 000 svjetlosnih godina od Zemlje.

Da bi izmjerili paralakse s Hubbleom, Riessov je tim morao mjeriti prividno sitno zamatanje cefeida zbog Zemljine kretanja oko sunca. Ove su titraje veličine samo 1/100 od jednog piksela na kameri teleskopa, što je otprilike prividna veličina zrnca pijeska koje se vidi 100 milja (160 km).

Da bi osigurali točnost mjerenja, astronomi su razvili pametnu metodu koja nije bila predviđena kada je Hubble lansiran 1990. Istraživači su izumili tehniku ​​skeniranja u kojoj je teleskop mjerio položaj zvijezde tisuću puta u minuti svakih šest mjeseci tokom četiri godine, Teleskop se polako prelazi preko zvjezdane mete i snima sliku kao trag svjetlosti. Riess je rekla:

Ova metoda omogućuje ponavljane mogućnosti mjerenja izuzetno sitnih pomaka zbog paralakse. Mjerite razdvajanje između dvije zvijezde, ne samo na jednom mjestu na kameri, već preko i više tisuća puta, smanjujući pogreške u mjerenju.

Riessin tim usporedio je udaljenosti galaksija u odnosu na Zemlju s širenjem svemira mjerenim protezanjem svjetlosti iz udaljenih galaksija, koristeći prividnu vanjsku brzinu galaksija na svakoj udaljenosti za izračunavanje Hubbleove konstante. Njihov je cilj dodatno smanjiti neizvjesnost korištenjem podataka iz Hubblea i svemirskog opservatorija Gaia Europske svemirske agencije, koji će mjeriti položaje i udaljenosti zvijezda s neviđenom preciznošću.

Dno: Znanstvenici koji mjere brzinu širenja svemira kažu da njihov novi broj ostaje u suprotnosti s neovisnim mjerenjima ranog širenja svemira, što bi moglo značiti da u sastavu svemira postoji nešto nepoznato.